THIẾT kế điều KHIỂN ĐỘNG cơ điện 1 CHIỀU CÔNG SUẤT NHỎ

Sử dụng PWM điều khiển nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa nó cònđược dùng để điều khiển ổn định tốc độ động cơ.. Trên là mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM và giản đồ xung của ch

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Hưng Yên, Ngày Tháng Năm 2021

Giảng viên hướng dẫn

Mục lục

I. Chọn đề tài

II. Thiết kế, chế tạo

2.1 Giới thiệu về phương pháp PWM

2.2 Nguyên lý của phương pháp PWM

2.3 Dùng IC NE555 để tạo ra PWM để điều khiển

2.4 Một vài ứng dụng nổi bật PWM trong điều khiển động cơ.III. Thiết kế mạch

3.1 Sơ đồ khối toàn mạch

3.1.1 Khối nguồn

3.1.2 Khối điều khiển

3.1.3 Khối chấp hành

3.2 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch

IV. Giới thiệu linh kiện

I. CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay, kĩ thuật điện tử đã và đang đóng 1 vai trò rất quan trọng trong quá trình công nghiệp hoá đất nước Sự ứng dụng của kĩ thuật điện tử trong các hệ thống truyền động điện là rất lớn bởi sự nhỏ gọn của các phần tử bán dẫn và việc

dễ dàng tự động hoá cho các quá trình sản xuất Các hệ thống truyền động điều khiển bởi kĩ thuật điện tử đem lại hiệu suất cao Kích thước, diện tích lắp đặt giảm

đi rất nhiều so với các hệ truyền động thông thường như: khuếch đại từ, máy phát động cơ

-Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, trong nội dung môn học kĩ thuật điện tử chúng

em đã được giao thực hiện đề tài:

“THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU CÔNG SUẤT NHỎ”.

Với sự hướng dẫn của Thầy: chúng em đã tiến hành nghiên cứu và thiết kế đề tài

Trong quá trình thực hiện đề tài do khả năng và kiến thức thực tế có hạn nên không thể tránh khỏi sai sót, kính mong thầy cô đóng góp ý kiến để đề tài hoàn thiện hơn

II. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO

2.1. Giới thiệu về phương pháp PWM.

Phương pháp điều chế PWM có tên tiếng anh là Pulse Width Modulation làphương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựatrên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến sự thay đổi điện áp ra

Sử dụng PWM điều khiển nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa nó cònđược dùng để điều khiển ổn định tốc độ động cơ Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổnđịnh tải thì PWM nó còn tham gia và điều chế các mạch nguồn như là : boot, buck,nghịch lưu 1 pha và 3 pha PWM chúng ta còn gặp nhiều trong thực tế và các mạchđiện điều khiển Điều đặc biệt là PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện

tử công suất có đường đặc tính là tuyến tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định

Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườndương hoặc là sườn âm

Hình 2.1- Dạng xung PWM

Sơ đồ trên là dạng xung điều chế trong 1 chu kì thì thời gian xung lên (Sườn dương)

nó thay đổi dãn ra hoặc co vào Và độ rộng của nó được tính bằng phần trăm tức là

độ rộng của nó được tính như sau :

Độ rộng = (t1/T).100 (%)

Như vậy thời gian xung lên càng lớn trong 1 chu kì thì điện áp đầu ra sẽ càng lớn Nhìn trên hình vẽ trên thì ta tính được điện áp ra tải sẽ là :

+ Đối với PWM = 25% ==> Ut = Umax.(t1/T) = Umax.25% (V)

+ Đối với PWM = 50% ==> Ut = Umax.50% (V)

+ Đối với PWM = 75% ==> Ut = Umax.75% (V)

Cứ như thế ta tính được điện áp đầu ra tải với bất kì độ rộng xung nào

* Ưu nhược điểm mạch PWM làm mạch điều khiển động cơ DC

Ưu điểm

- Transistor ở lối ra chỉ có duy nhất hai trạng thái (ON hoặc OFF) do đó loại bỏ được mất mát về năng lượng đốt nóng hay năng lượng rò rỉ tại lối ra Dải điều khiển rộng hơn so với mạch điều chỉnh tuyến tính

- Tốc độ mô tơ quay nhanh hơn khi cấp chuỗi xung điều chế theo kiểu PWM so với khi cấp một điện áp tương đương với điện áp trung bình của chuỗi xung PWM

Nhược điểm.

- Cần các mạch điện tử bổ trợ - giá thành cao

- Các xung kích lên 5 Volt có thể gây nên tiếng ồn nếu mô tơ không được gắn chặt

và tiếng ồn này sẽ tăng lên nếu gặp phải trường hợp cộng hưởng của vỏ

- Ngoài ra việc dùng chuỗi xung điều chế PWM có thể làm giảm tuổi thọ của mô tơ.2.2 Nguyên lý của phương pháp PWM

Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn tới tải và một cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt Phần tử thực hiện nhiệm

vụ đó trong mạch các van bán dẫn.

Xét hoạt động đóng cắt của một van bán dẫn Dùng van đóng cắt transistor

Hình 2.2.1- Sơ đồ đóng ngắt nguồn với tải.

Hình 2.2.2- Đồ thị xung của van điều khiển và đầu ra.

Trên là mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM và giản đồ xung của chân điều khiển và dạng điện áp đầu ra khi dùng PWM

+ Nguyên lý: Trong khoảng thời gian 0 - to ta cho van G mở toàn bộ điện áp nguồn

Ud được đưa ra tải Còn trong khoảng thời gian to - T cho van G khóa, cắt nguồn cung

cấp cho tải Vì vậy với to thay đổi từ 0 cho đến T ta sẽ cung cấp toàn bộ, một phần hay khóa hoàn toàn điện áp cung cấp cho tải.

+ Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải :

Gọi to là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở )còn T là thời gian của cả sườn âm

và dương, Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải.==> Ud = Umax.( t1/T) (V) hay

2.3 Dùng IC NE555 để tạo ra PWM để điều khiển.

Để tạo được ra PWM thì hiện nay có hai cách thông dụng : Bằng phần cứng

và bằng phần mềm Trong phần cứng có thể tạo bằng phương pháp so sánh hay là từtrực tiếp từ các IC dao động tạo xung vuông như : 555, LM556 Trong phần mềm được tạo bằng các chip có thể lập trình được Tạo bằng phần mềm thì độ chính xác cao hơn là tạo bằng phần cứng Nên người ta hay sử dụng phần mềm để tạo PWM

- Tạo bằng phương pháp dùng IC dao động.

Như chúng ta đã biết thì có rất nhiều IC có thể tạo được trực tiếp ra xung vuông

mà không cần phải tạo tín hiệu tam giác làm gì vì trong đó nó đã tích hợp sẵn hết cả rồi và ta chỉ việc lắp vào là xong Tôi lấy ví dụ dùng dao động IC555 vì con IC này vừa đơn giản lại dễ kiếm

Hình 2.3 Mạch tạo xung đơn giản dùng NE555.

Với tần số xác định được là f = 1/(ln.C1.(R1+2R2) nên chỉ cần điều chỉnh R2 là có thể thay đổi độ rộng xung dễ dàng Ngoài 555 ra còn rất nhiều các IC tạo xungvuông khác

2.4 Một vài ứng dụng nổi bật của PWM

a. PWM trong điều khiển động cơ.

Điều mà chúng ta dễ nhận thấy rằng là PWM rất hay được sử dụng trong động cơ để điều khiển động cơ như là nhanh, chậm, thuận, nghịch và ổn định tốc độ cho nó Cái này được ứng dụng nhiều trong điều khiển động cơ 1 chiều, và sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển động cơ DC là:

Hình 2.4a- Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển động cơ DC.

Đây là mạch đơn giản điều khiển động cơ Nếu muốn điều khiển động cơ quay thuận quay ngược thì phải dùng đến cầu H

b. Trong các bộ biến đổi xung áp.

Trong các bộ biến đổi xung áp thì PWM đặc biệt quan trọng trong việc điều chỉnh dòng điện và điện áp ra tải Bộ biến đổi xung áp có nhiều loại như là biếnđổi xung áp nối tiếp và bộ biến đổi xung áp song song Lấy 1 mạch nguyên lý đơn giản trong bộ nguồn Boot đơn giản Đây chỉ là mạch nguyên lý

Hình 2.4b- Sơ đồ mạch nguyên lý của mạch nguồn Boot

Đây là nguyên lý của mạch nguồn Boot Dùng xung điều khiển để tạo tích lũy nănglượng từ trường để tạo điện áp ra tải lớn hơn điện áp vào

Ngoài những cái trên thì PWM còn được sử dụng trong các bộ chuyển đổi DC -AC , hay trong biến tần, nghịch lưu

Hình 3.1.1a: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn

Nguồn cũng cấp cho toàn mạch là nguồn 5V 1 chiều Nguồn ta dùng ở đây

có tính ổn định cao để mạch đếm chính xác nếu ta dùng nguồn không ổn định nhưpin, khi hết pin thì mạch đếm sẽ bị gián đoạn

Điện áp đầu vào sau khi đi qua biến áp ha áp xuống từ 220V AC-50Hzxuống còn 5V AC Tiếp theo được đi qua cầu diode để chuyển từ điện áp xoaychiều thành một chiều

Khối nguồn

Hình 3.1.1b: Dạng sóng điện áp trước và sau chỉnh lưu

Điện áp hiện tại là 5V DC và điện áp yêu cầu của mạch là 5V DC lên ta choqua IC ổn áp 7805 để ổn định điện áp luôn ở 5V DC cấp cho mạch hoạt động.Sau chỉnh lưu và ổn áp điện áp còn nhấp nhô ta cho qua tụ để san phẳng điện áp

Tụ điện có điện dùng càng lớn thì điện áp đầu ra càng phẳng

Hình 3.1.1c: Dạng sóng điện áp sau khi được lọc bằng tụ điện

3.1.2 Khối điều khiển

Hình 3.1.2a: Khối điều khiển

Công thức tính thời gian nạp xả của tụ

Một động cơ DC có thể quay thuận hoặc quay nghịch tùy thuộc vào cách mắc cực âm và dương cho motor đó Ví dụ, động cơ DC có hai đầu A và B Nếu nối A vào cực dương (+) và B vào cực âm (-) của nguồn thì động cơ quay theo chiều thuận (giả sử cùng chiều kim đồng hồ) Và nối ngược lại, A vào (-) và B (+), động cơ sẽ quay nghịch (giả sử ngược chiều kim đồng hồ).

Tương tự, khi ta đống S1 và S4, ta đã cho A nối với cực dương (+) và nối B với cực âm (-) của nguồn, một dòng điện chạy từ nguồn qua S1 qua động cơ qua S4 về mass làm động cơ quay theo chiều thuận

Mô hình mạch cầu H

Ngược lại, khi ta đóng S2 và S3, động cơ quay nghịch.

Như vậy, ta có thể mạch cầu H dùng để đảo chiều động cơ

*Lưu ý, không bao giờ được phép đóng cùng lúc S1 và S2 hoặc S3 và S4 hoặc thậm chí là đóng cùng lúc 4 công tắc Nếu làm như vậy thì sẽ tạo ra một

đường dẫn trực tiếp từ Vcc xuống GND và gây ra hiện tượng ngắn mạch Mạch nguồn sẽ bị hỏng và nghiêm trọng hơn có thể gây cháy nổ mạch.

Vậy nếu đóng cùng lúc S1 và S3 hoặc S2 và S4 thì cả 2 đầu A, B của động

cơ cùng nối với một mức điện áp, sẽ không có dòng điện nào chạy qua, mạch cầu

H không hoạt động Đây có thể coi là một cách “thắng” động cơ (nhưng không phải lúc nào cũng có tác dụng) Nói chung, chúng ta nên tránh trường hợp này xảy

ra, nếu muốn mạch cầu không hoạt động thì nên mở tất cả các khóa thay vì dùng trường hợp này

Sau khi đã cơ bản nắm được nguyên lý hoạt động của mạch cầu H, phần tiếptheo sẽ khảo sát cách thiết kế mạch này bằng các loại linh kiện cụ thể Thành phầnchính của mạch cầu H chính là các “khóa”, việc chọn linh kiện để làm các khóa này phụ thuộc vào mục đích sử dụng mạch cầu, loại đối tượng cần điều khiển, công suất tiêu thụ của đối tượng

Và mạch này em sẽ dùng ic l298

3.2 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch

Nguyên lý hoạt động:

Điện áp đầu vào sau khi đi qua biến áp ha áp xuống từ 220V AC-50Hz xuống còn 5V AC Tiếp theo được đi qua cầu diode để chuyển từ điện áp xoay chiều thành một chiều Điện áp hiện tại là 5V DC và yêu cầu điện áp của mạch là 5V DC lên ta cho qua IC ổn áp 7805 để ổn định điện áp luôn ở khoảng 5v DC để cấp cho mạch hoạt động

Sau chỉnh lưu và ổn áp điện áp còn nhấp nhô ta cho qua tụ để san phẳng điện

áp Tụ điện có điện dùng càng lơn thì điện áp đầu ra càng phẳng cùng với tụ phâncực ta dùng thêm tụ gốm để lọc nhiễu cao tần Mạch tạo tín hiệu bằng ic ne555 khi

ic này sẽ tạo dao động bằng tụ, phát ra xung vuông và ta có thể điều chỉnh độ rộngxung bằng cách thay đổi giá trị điện trở ở biến trở

Về phần mạch lực thì em dùng ic l298 để đảo chiều động cơ Xung từ chân 3của NE555 sẽ được nối với chân 5 hoặc chân 7 qua một công tắc 3 chân để tùychọn quay ngược hoặc quay xuôi

IV GIỚI THIỆU LINH KIỆN 4.1 Điện trở

a) Khái niệm ,cấu tạo ,kí hiệu

Khái niệm: Điện trở là linh kiện điện tử thụ động, dùng để cản trở dòng điện

Ký hiệu và hình dạng:

Ký hiệu hình dạng

Cấu tạo : Điện trở được cấu tạo từ những vật liệu có điển trở suất cao như làmbằng than, magie kim loại Ni-O2, oxit kim loại, dây quấn.

Điện trở dây cuốn: Loại điện trở này dùng dây điện trở quấn trên lõi than và có

1 lớp cách điện thường bằng sứ hoặc nhựa tổng hợp để tạo ra điện trở có giá trịnhỏ và chịu được công suất tiêu tán lớn Thường được sử dụng trong các mạchcung cấp điện của các thiết bị điện

Điện trở điều chỉnh: hay còn gọi là biến trở, giá trị điện trở có thể thay đổiđược tùy ý

Hình dạngHình 4.2 Ký hiệu và hình dạng của tụ điện

Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sửdụng rất rộng rãi trong các

mạch điện tử, chúng được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạchtruyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động

Với những mạch điện không đòi hỏi độ ổn định của điện áp quá cao, sử dụng

IC ổn áp thường được người thiết kế sử dụng vì mạch điện khá đơn giản.Các loại

ổn áp thường được sử dụng là IC 78xx,79xx, với xx là điện áp cần ổn áp

VD: 7805 ổn áp 5V,7812 ổn áp 12V.

Việc dùng các loại IC ổn áp họ 78xx tương tự nhau

Hình 4.3 Sơ đồ chân ic7805

Sơ đồ chân của IC 7805:

• Chân số 1 là chân IN (hình vẽ trên)

• Chân số 2 là chân GND (hình vẽ trên)

• Chân số 3 là chân OUT (hình vẽ trên)

Một số thông số kĩ thuật:

Dòng cực đại có thể duy trì 1A

Dòng đỉnh 2.2A

Công suất tiêu tán cực đại nếu không dùng tản nhiệt: 2W

Công suất tiêu tán nếu dùng tản nhiệt đủ lớn: 15W

Nếu vượt quá ngưỡng 4 ý trên 7805 sẽ bị cháy

Thực tế ta nên chỉ dùng công suất tiêu tán =1/2 giá trị trên Các giá trị cũng không nên dùng gần giá trị max của các thông số trên Tốt nhất nên dùng ≤ 2/3 max Hơn nữa các thống số trên áp dụng cho điều kiện chuẩn nhiệt độ 25 độ C

4.4 IC NE555

Sơ đồ chân IC NE555:

Hình 4.4a Sơ đồ chân IC555

+ Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là

chân chung

+ Chân số 2(TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được

dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp Mạch so sánh ở đây dùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3Vcc

+ Chân số 3(OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic Trạng thái

của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1, 1 ở đây là mức cao nó tương ứng với gần bằng Vcc và mức 0 tương đương với 0V nhưng mà trong thực tế mức 0 này ko được 0V mà nó trong khoảng từ (0.35 ->0.75V)

+ Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối mass

thì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6.Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên VCC

+ Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC

NE555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND Chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta

thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định.

+ Chân số 6(THRESHOLD) : là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp

khác và cũng được dùng như 1 chân chốt

+ Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu

điều khiển bởi tầng logic của chân 3.Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại, ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC NE555 dùng như 1 tầng dao động

+ Chân số 8 (Vcc): là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động Nó được cấp

điện áp từ 2V >18V (Tùy từng loại 555 thấp nhất là con NE7555)

Cấu tạo bên trong và nguyên tắc

hoạt động:

Cấu tạo:

- Cấu trúc của IC NE555 gồm : 2 con Op-amp, 3 con điện trở, 1 transitor, 1 FF ( ở đây là FF RS):

- 2 OP-amp có tác dụng so sánh điện áp

- Transistor để xả điện

- Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành 3 phần Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương của Op-amp 1 và

2 nhỏ hơn 1/3 VCC, chân S = [1] và FF được kích Khi điện áp ở chân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân R của FF = [1] và FF được reset

- /Q = 1 > Transistor dẫn, điện áp trên chân 7 xuống 0V

- Tụ C xả qua Rb Với thời hằng Rb.C

- Điện áp trên tụ C giảm xuống do tụ C xả, làm cho điện áp tụ C

nhảy xuống dưới 2Vcc/3

tụ C lại được nạp điện với điện áp ban đầu là Vcc/3.

Nói tóm lại các bạn cứ nên hiểu là :

Trong quá trình hoạt động bình thường của 555, điện áp trên tụ C chỉ dao động quanh điện áp Vcc/3 -> 2Vcc/3

- Khi nạp điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu là Vcc/3, và kết thúc nạp ở thời điểm điện áp trên C bằng 2Vcc/3.Nạp điện với thời hằng là (Ra+Rb)C

- Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu là 2Vcc/3, và kết thúc xả ở thời điểm điện áp trên C bằng Vcc/3 Xả điện với thời hằng là Rb.C

- Thời gian mức 1 ở ngõ ra chính là thời gian nạp điện, mức 0 là xả điện

4.5 IC L298

Sơ đồ chân của ic l298